基于Windows CE的嵌入式网络收音机

      摘要: 针对国内嵌入式实体网络收音机的发展现状，提出一种低成本、多功能网络收音机实现方案，该方案以Samsung 公司的ARM920T内核芯片S3C2440A为硬件平台，以Windows CE操作系统为，通过网络连接访问国内外网络电台并获取音频信息，播放并实现网络收音功能。

　　引言

　　目前，国内收音机设备还停留在模拟收音技术阶段，而国外网络收音机均采用专用集成芯片接收方案，成本高昂且均以ODM（原始设计制造商）方式投入市场，技术封闭且界面单调，这无疑给信息家电和数字化家庭信息化系统的推广增加了阻力。

　　本设计将嵌入式技术应用于实体网络收音机系统设计中，以Samsung公司ARM920T内核的S3C2440A为处理器，以Windows CE操作系统为软件平台，通过加载必要的驱动程序和应用程序构建一个完整的实体网络收音机系统，通过网络连接访问国内外网络电台并获取音频信息，播放并实现网络收音功能。系统可以通过有线连接或者无线连接(WiFi)接入网络，分析网络电台传输协议：对于采用顺序流式传输MMS协议的网络电台，利用Windows CE系统自带的Windows Media Player控件进行和播放；而对于采用实时流式传输RTSP协议的网络电台，利用相应的运行库实现网络收音功能，并通过软件音频解码后发送到音频设备，实现解码播放。

　　1  系统硬件设计

　　系统结构框图如图1所示。系统包括处理器S3C2440A、支持802.11b/g的USB无线网卡、快速以太网控制处理器DM9000网卡、I2S接口音频编解码芯片UDA1341声卡、触摸屏、存储器、USB外设和电源管理模块等。

图1  系统结构框图

　　S3C2440A频率可达400 MHz，其包含有丰富的外围设备资源，支持SDRAM的外部存储控制器、AC97编解码器接口和TFT/STN液晶触摸屏接口。这些特性为系统的硬件电路设计提供了很多便利，能够在体积更小的单系统封装内提供更强大的运算与存储能力，同时减少产品使用的组件数量，让制造商开发出新型与独特功能设计的产品。

　　2  软件系统设计

　　操作系统采用Windows CE5.0。它提供了一个开放的标准基础平台，具有多线程、多任务、完全抢占式的特点。其模块化设计使嵌入式系统和应用开发者能够方便地定制以适应不同的产品。

　　Windows CE包含4个主要模块：设备管理模块、对象存储模块、GWES模块和通信模块。除此之外，它还包括一些可选的操作系统模块，主要有以下几种：安装型设备驱动程序、多媒体(声音)支持模块、COM支持模块和Windows CE外壳模块。Windows CE模块化设计使嵌入式系统和应用程序开发者能够方便地定制以适应一系列产品的不同要求。

　　Platform. Builder是微软公司为开发基于Windows CE操作系统的可定制平台而设计的集成开发平台。它包括集成开发环境、平台生成器、SDK导出器、调试器、远程实用工具和仿真器等，可以帮助用户方便地设计和调试基于Windows CE的平台。

　　2.1  操作系统的定制

图2  Windows CE操作系统定制流程

　　如图2所示，操作系统的定制主要包括Bootloader(系统引导程序)的开发、OAL(设备商适配层)的开发、本地驱动程序的开发以及平台文件配置等。

　　Windows CE操作系统已为其中大部分硬件外设提供了可供参考的Bootloader程序、OAL程序和驱动源代码，为系统设计开发提供了样本程序，可有效提高开发的工作效率，减少重复性工作。

　　针对本系统中采用的处理器S3C2440A，BSP(板级支持包)可由Samsung公司提供的SMDK2440BSP包克隆生成，因此源代码配置文件只需要对系统新添加的模块进行设置，完整编译即可完成。

　　本系统除了要加入一些系统级模块(例如文件系统支持、触摸屏支持等)之外，还要加入Windows Media Player模块和VIA公司提供的无线网卡驱动模块。修改注册表中对应模块的设置，即在platform.reg中添加对VIA公司无线网卡的支持：

　　[HKEY_LOCAL_MACHINECommVNUWLC5]

　　"DisplayName"="VNT VT6656 Wireless LAN"

　　"Group"="NDIS"

　　"ImagePath"="VNUWLC5.dll"

　　添加对以太网控制器DM9000的支持：

　　[HKEY_LOCAL_MACHINECommDM9CE]

　　"DisplayName"="DM9000 ISA Fast Ethernet Adapter"

　　"Group"="NDIS"

　　"ImagePath"="dm9isa.dll"

　　2.2  SDK的生成

　　SDK(软件开发工具包)是软件开发商提供给二次开发人员的针对性开发工具。SDK提供连接支持，用来支持桌面操作系统与嵌入式系统之间的通信，开发人员通过它来使用开发工具与嵌入式操作系统进行应用程序的运行测试。在Platform. Builder集成开发环境里，针对定制的镜像文件(nk.bin)输出SDK。

　　2.3  应用程序开发

　　Windows CE应用程序使用Embedded Visual C++集成开发环境，并且需要具体平台的SDK支持。本系统利用Platform. Builder定制生成的SDK直接进行开发，有效地提高了开发效率。目前，主要流媒体协议分为支持实时流式传输的RTSP协议和支持顺序流式传输的MMS协议。如rtsp://real.cnr.cn:554/encoder/cnr2（中央人民广播电台2台）的地址格式，这类网络数字广播采用RTSP协议来进行数据传输；如mms://windows_media_server/sample.asf的地址格式，这类网络数字广播采用MMS协议来进行数据传输。

图3  系统设计框图

　　为了尽可能接收到所有网络电台，系统设计兼容两种传输协议。针对系统的特殊性，适用于该方案的系统设计框图如图3所示。

　　系统通过解析用户输入的网络电台网址，分辨出所访问电台支持的流媒体传输协议，针对两类不同协议作出实时响应，接收数据并播放。

　　2.3.1  实时流式传输RTSP协议

　　实时流协议RTSP，用于建立和控制时间同步的连续媒体流，以及控制具有实时特征的数据发送。RTSP提供控制机制，能够处理更高层的问题（例如会话建立和注册），在体系结构上工作在RTP、TCP、UDP等协议的上层。正因为如此，RTSP可以很好地利用人们对现有工业标准的改善和提高，而不需要额外的优化工作。

　　本系统采用开源软件LIVE库来实现RTP/RTCP协议，包括RTP/RTCP会话的建立、数据的接收。其主要任务是解析RTSP协议，通过DESCRIBE、SETUP、PLAY请求来获得音频数据格式，并将RTP包解包获得MP3帧数据，写入数据接收缓冲区。

　　LIVE库仅包含4个基本的类：BasicUsageEnvironment、UsageEnvironment、groupsock以及livemedia。BasicUsageEnvironment和UsageEnvironment负责任务的调度和环境的配置；groupsock负责socks套接字的创建以及相应信息（询问信息和数据信息）的发送接收；Livemedia是整个工程的，负责rtsp、session(subsession)和rtcpinstance的运转。

　　在数据传输过程中，LIVE库根据RTSP协议来建立会话描述。RTSP会话的建立分为以下几个步骤：

　　① 建立使用环境对象，创建客户端。

　　② 由RTSPClient对象向服务器发送OPTION消息并接收回应。

　　③ 发送DESCRIBE请求，并解析回应。

　　④ 根据SDPDescription在MediaSession中创建MediaSession对象。

　　⑤ 配置所有子会话对象。

　　⑥ 由RTSPClient对象向服务器发送SETUP消息并接收回应。

　　⑦ 由RTSPClient对象向服务器发送PLAY消息并接收回应。

　　接收到的经过压缩编码的MP3音频数据只有经过解码后发送给音频设备，才能实现解码播放。为了缩短开发周期，本文使用LIBMAD库来实现MP3解码。LIBMAD库是一个开源的高MPEG音频解码库，支持MPEGLayer I、 MPEGLayer II和MPEGLayer III。LIBMAD提供24位的PCM输出，完全是定点计算，非常适合应用在没有浮点支持的平台上。使用LIBMAD提供的一系列 API(应用程序编程接口)，就可以非常简单地实现 MP3 数据解码。

　　为了使系统接收到的音频流数据能够正常解码并播放，系统采用双线程(数据接收线程和音乐播放线程)、双缓冲(数据接收缓冲和音乐播放缓冲)操作。两个线程并发运行，且音乐播放线程运行速度较慢。如果网络速度较快，数据接收线程的接收缓冲区已满，而当前音乐播放线程正在播放音乐，那么数据接收线程必须停止接收数据。如果不让数据接收线程进入等待状态，它会一直轮询音乐播放线程观察其是否需要数据。简单的轮询会浪费 CPU 资源，在这种情况下，有必要让数据接收线程进入等待状态。本系统使用信号量机制来动态控制线程的运行，有效地提高程序执行效率。

　　2.3.2  顺序流式传输MMS协议

　　MMS（Microsoft Media Server，微软媒体服务器)协议由微软制定，用来访问以及用于流式接收Windows Media服务器中的流文件，也是连接Windows Media单播服务的默认方法。在Windows Media Player中输入一个URL以便连接播放内容时要使用这个协议，当用MMS协议连接到发布点后，服务器会使用“协议翻转”来获得的连接。

　　Windows CE操作系统自带Windows Media Player组件，在操作系统定制时也特别加入了该组件。Windows Media Player 具有模块化体系结构，用户界面与音频和视频内容的播放功能相互独立，因此在本设计中只使用了其播放功能，并且将其外观功能隐藏，通过应用程序建立自己的应用界面。在应用程序中，只需要新建Windows Media Player ActiveX变量，设置其属性并调用Open方法即可实现连接和播放。

　　2.4  界面设计

　　人机界面设计首先要确立用户类型。嵌入式实体网络收音机定位于信息家电市场，因此界面设计要求操作简单、信息量少以减小用户记忆负担，要有恢复出错现场的能力，在系统内部处理工作要有提示，尽量把主动权让给用户。

　　工程利用Visual Studio 2005平台进行开发，选择基于对话框结构模式设计，并且要求Windows Sockets支持和ActiveX控件支持。根据系统分析，需要5个按钮控件(Button Control)、1个进度条控件(Slider Control)、1个树目录控件(Tree Control)和1个图表控件(Picture Control)。系统主界面如图4所示。

　图4  系统主界面

　　完成控件的拖放后，拖动各个控件调整其布局，并对其属性和功能进行完善，实现网络收音机的基本功能。

　　结语

　　本文基于Windows CE系统实现的嵌入式实体网络收音机，内嵌WiFi技术，充分利用Windows CE系统资源实现访问网络电台并获取音频信息，播放并实现网络收音功能。它将电子信息技术融入传统家电设备中，有利于数字化和网络技术更广泛地深入家庭生活。

  

参考文献:

[1]. ARM920T datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ARM920T_139814.html.
[2]. S3C2440A datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/S3C2440A_589563.html.
[3]. DM9000 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/DM9000_979498.html.
[4]. COM datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/COM_1118194.html.